| 조암광물 | ||||||||||
| 규산염 광물 | 비규산염 광물 | |||||||||
| 사장석 | 석영 | 정장석 | 휘석 | 감람석 | 각섬석 | 흑운모 | 백운모 | 점토광물 | 기타광물 | |
| |
| 잘 자란 각섬석 결정. 새카만 색깔이 가장 대표적인 색상이다. 결정의 길쭉한 면이 서로 120도로 만난다. |
| 각섬석의 성질 | ||||||
| 화학식 | W0-1X2Y5Z8O22(OH)2[1] | |||||
| 결정계 | 단사정계(Monoclinic), 사방정계(Orthorhombic) | |||||
| 굳기 | 5-6 | |||||
| 비중 | 2.85-3.6 | |||||
| 벽개 | 두 방향 120도[2] | |||||
| 규산염구조 | 복사슬 구조(Double Chain Silicates) | |||||
| 결정형 | 각기둥 모양 (위 그림이 가장 전형적인 모습) | |||||
| 주요 색상 | 검은색, 흑갈색, 흑록색, 녹색[3] 등 | |||||
1. 개요
角閃石 / Amphibole 또는 Hornblende수화 규산염 광물의 일종으로, 복사슬 광물을 일컫는다. 다양한 치환 관계를 가져 폭넓은 성분 범위를 갖는 초군(supergroup)이다. 중성질 화성암과 다양한 변성암에서 흔히 발견된다.
2. 결정 구조 및 분류 체계
각섬석은 해당 결정 구조(와 화학식)를 만족하는 모든 종류의 광물을 총칭하는 광물초군(supergroup)의 이름이다. 달리 말하면 복쇄상구조를 갖는 규산염 수화광물의 총칭이다. 조암 광물 중에서 그 종류가 특히나 다채롭고 양이온 자리가 다양하다.[4] 조암 광물 중에서도 받아들이는 양이온의 종류가 오죽 많으면 지질학자들 사이에서 광물계의 쓰레기통(garbage can)으로 불리기도 한다.[5] 화학식에서 확인할 수 있는 자리는 4종류이지만, 실제로 각섬석 결정 내에는 서로 다른 6가지의 양이온 자리가 존재한다. 휘석이 2가지 종류로 단종만 6개를 만들 수 있다는 걸 생각해보면 이렇다.
각섬석의 결정 구조. 노란 사면체가 SiO4 사면체이며 그 안의 Si 자리(=Z자리)에 Al이 치환하는 것이 가능하다.[6] 큼지막한 보라색 자리가 W 자리, 분홍색 자리는 M4 라는 이름이 붙은 자리(= X)이다. 나머지 녹색 자리는 M1~M3까지의 자리(=Y)가 배열된다. M1, M2, M3 자리는 성질이 꽤 비슷하다.
먼저 W에 해당하는 자리(A라고 쓰기도 함.)는 자리가 가장 넓고 큰 이온이 들어가게 된다. 이 자리는 연결 상태가 가장 약하며 그렇기 때문에 아예 비어있는 경우가 허다하다. 그래서 숫자가 하나가 아니라 0~1이라고 표기되는 것. 이 크고 넓고 전하가 약한 자리는 알칼리 이온이 들어가는 자리이다. Na와 K가 주 타겟이 된다. 그러나 각섬석의 광물 화학식을 보면 이 W 자리는 아예 공석일 때도 있다. 실제로 분석해보면 완전히 공석이기보다는 소량의 알칼리 이온들이 박혀있다. [7]
그 다음으로 화학식에서 X를 차지하고 있는 M4 자리는 W 자리보다는 덜하지만 여유가 있는 자리이다. 거리가 꽤 가까운 것으로부터 짐작할 수 있듯이 여기서부터는 함부로 자리를 비우기 어려운 자리이다. 이 자리에는 흔히 Mg, Fe, Ca, Na가 들어가게 된다. Na의 경우에는 Ca과 쌍을 이루어 들어가든지, Na 2개가 짝을 이루어 들어감으로써 전하 차이를 극복한다. 짐작하겠지만 우리가 볼 수 있는 대부분의 각섬석의 경우 Na는 X자리에 들어가지 않는다.[8]
Y 자리는 비록 결정학적으로 3개의 서로 다른 자리를 묶어내고 있으나 전체적으로 성격이 비슷하다. 항상 이 자리는 Mg와 Fe가 들어있어야 한다. 그러나 종종 Al이나 Fe(III) 이온이 Mg와 Fe 대신 끼어들어 이 자리를 부분적으로 차지하고 있을 때가 있다.
마지막으로 Z자리는 지구과학 공부하는 사람들에게 친숙한 SiO4 사면체의 중앙부 자리이다. 이상적으로 보자면 Si가 들어가야겠지만 Al이 치환하여 들어가는 경우가 심심치 않게 있다. 그래서 Z라고 굳이 쓰는 것이다. 그리고 당연히 이 Z 자리 주변은 다 산소 이온이 채우고 있는데, 이 산소들을 근처의 Y 자리와 짝지우면 산소가 남는다. 바로 그 산소들이 OH (히드록시기)가 되어 있는 자리이다. Y 자리의 중앙과 가장자리를 번갈아가면서 OH 그룹이 규칙적으로 박혀있다.
이 결정 구조의 조합과 지질학적 배경에 따르면, 먼저 Fe-Mg-Ca가 풍부한 각섬석과, Na가 상당량 포함되는 소듐각섬석(Sodic amphibole)으로 구분된다. 각섬석은 특히 명명한 사람이 독일어권이 많은지 이름이 익숙하지 않은 경우가 꽤 많다. 그리고 각섬석도 휘석처럼 큰 이온이 치환해들어가기 시작하면서 결정이 뒤틀릴 수 있다. 가장 이상적으로 자라면 사방정계에 속하여 사방각섬석(Orthoamphibole)이 되며 칼슘이나 소듐, 알루미늄의 영향이 있으면 단사정계가 되어 단사각섬석(Clinoamphibole)이 된다. 그러므로 소듐각섬석 중에는 사방각섬석이 없다.
먼저 사방각섬석에는 Y자리에 Al이 없고, X와 Y자리가 오로지 Fe와 Mg로만 차있는 Anthophyllite가 있다. 이 Anthophyllite에서 Y자리가 Al으로 조금 치환되면 Gedrite가 된다. (Y=Mg3Al2~Fe3Al2) 사방각섬석의 W 자리는 이상적으로 공석이다.[9]
칼슘이나 소듐이 없는 상태임에도 불구하고 동질이상으로 사방정계가 아니라 단사정계로 자라나는 경우가 있는데 이 때 화학식은 Anthophyllite와 동일하지만 결정구조만 단사정계가 된다. 이 광물은 Cummingtonite라고 한다.[10][11]
칼슘이 풍부해져서 X자리가 대부분 Ca으로 가득차게 되면 칼슘-단사각섬석(Calcic clinoamphibole)군이 된다. 이들 중에서 가장 Mg와 Fe가 많은 경우가 Tremolite-actinolite 고용체 단종이다. (Tremolite=Mg 단종, actionlite=Fe 단종) Y 자리에 Fe(III)이나 Al(III)이 들어서게 되면 우리가 잘 아는 hornblende라는 이름이 붙는다. 이 경우가 가장 흔한데 그래서 hornblende의 한국명은 무려 '보통각섬석'이다. 이 칼슘이 풍부한 각섬석이 특히 티타늄을 많이 포함하면 특별히 Kaersutite라고 부른다.[12]
Na가 X자리에 침투하기 시작하면 이를 소듐각섬석이라고 부른다. 이들도 설명하자면 종류가 많지만 너무 길어지고 이상한 이름이 난무하기 때문에 생략. 앞서 말한 kaersutite도 W자리에 Na가 그득해서 소듐각섬석으로 부르기도 한다. 이 소듐각섬석 중에서 특히 짚고 넘어가야할 종류가 딱 하나 있는데, 그게 남섬석(glaucophane)이다. 남섬석은 W자리는 공석이고 X=Na, Y=Mg3(Al,Fe)2에 해당하는 광물인데, 변성암에서 청색편암(blueschist) 변성상(metamorphic phase)의 가장 핵심 광물이다. 남섬석은 그 특유의 새파란 색상 때문에 암석 전체를 파랗게 물들이는데, 그 때문에 청색편암이라는 이름이 붙었다.
3. 지질학적 배경
| 보웬의 반응계열 | |
| 불연속 반응 계열 | 연속 반응 계열 |
| 감람석 | <colbgcolor=#d6f0ff,#002033> Ca 사장석 |
| 휘석 | ↓ |
| 각섬석 | |
| 흑운모 | Na 사장석 |
| <colbgcolor=#f8ffff,#003233> 정장석 | |
| 백운모 | |
| 석영 | |
지질학적인 관점에서 각섬석의 가장 특징적인 것을 하나 말하라고 하면 수화 광물(hydrous mineral)이라는 점이다. 화학식의 맨 마지막의 (OH)2 부분이 바로 물분자 하나를 지칭하고 있다. 그러므로 물이 없는 환경에서 각섬석은 자라지 않는다. 암석에서 각섬석이 흔한 것은 역으로 말하면 암석 속에는 항상 물이 조금은 들어있다는 뜻이기도 하다. 물이 완전히 빠져나가는 암석 시스템이 되면 각섬석은 종적을 감추게 된다. 이를테면 초고온 변성작용을 받는 백립암상이나 초고압 변성작용을 받는 에클로자이트상에서는 각섬석이 사라지게 된다.
또한 각섬석은 마그마가 너무 고철질이면 잘 자라지 않는다. 보통 어느 정도 규소와 산소가 확보되면 그제서야 물을 소모하여 자라게 된다.
그럼에도 불구하고 다양한 화성암과 변성암에서 각섬석이 자라기 때문에 다양한 방법의 연구 대상이 되고 있다. 특히 각섬석은 온도가 높아지는 변성 과정을 거칠 때, 운모와 같이 물이 풍부한 광물이 불안정해지면서 방출한 물을 이용하여 새롭게 자라게 된다. 그래서 상당한 온도 조건에 이르면 각섬석이 많아지게 되는데, 이런 암석을 각섬암(amphibolite)이라고 부른다. 각섬암은 백림암보다는 낮은 온도의 변성 조건이지만 꽤 높은 온도의 조건에서 만들어지며 특히 대륙 충돌대에서 많이 관찰되는 변성암이다. 또한 강력한 변성 작용을 받은 뒤에 변성암이 지표로 융기하는 과정에서 물과 만나 원래는 없어야할 각섬석이 자라나기도 한다. 또한 고온 고압에서 안정한 각섬석 종류가 저압에 더 안정한 각섬석[13]으로 변하기도 한다.
4. 산업적 특징
각섬석도 대체로 광상에서는 불순물로 취급당한다.그러나 산업에서 각섬석은 주의해야 할 광물인데, 바로 Tremolite-actinolite 계열에 속하는 각섬석 때문이다. 이들은 특정 조건에서는 굉장히 얇고 가늘게 성장하는데, 이를 지질학에서는 섬유상(fibrous)이라고 부른다. 이게 바로 악명 높은 석면 형태이다. 특히 사문석은 석면보다 유해한 발암물질이다.
동시에 Tremolite-actinolite가 섬유상으로 자라면서 서로 엉긴 것은 연옥, 휘석으로 된 건 경옥이라고 부른다.
같은 광물이 어떤 형상으로 자랐느냐에 따라 치명적인 유해물질이 되기도 하고, 아름다운 보석이 되기도 한다는 사실은 대단히 흥미로운 일이다.
[1] 각 W,X,Y,Z에 들어가는 양이온은 본문 참고[2] 휘석처럼 c축에 평행한 두 면이 벽개면이나, 이번에는 면각이 120도, 60도에 해당한다. 휘석과 각섬석을 한눈에 구분하는 중요한 성질.[3] 새카만 색깔이 가장 흔하다. 다색성은 갈색에서 녹색 계통을 보인다.[4] 성분을 공부하기가 가장 까다롭다.[5] 광물 만들다 남으면 각섬석에 주면 될거야! 쯤 된다.[6] 특별한 조건에서는 Ti이 들어가기도 함.[7] 이 자리는 비어있기도 하고 이온이 들어가도 힘이 약하기 때문에 광물이 응력을 받으면 가장 약한 부분이 된다. 그래서 이 W자리를 따라 광물이 쪼개지게 되는데, 이 자리를 쭉 이으면 120도 각도로 두 개의 면이 만들어진다. 그래서 각섬석은 120도의 벽개면 2개를 갖게 되는 것이다.[8] 알칼리 원소는 보통 덩치가 크고 전하값이 낮아서 결정을 만들 때 그리 선호되는 애들이 아니다.[9] 보통 지질학에서는 Mg이 Fe보다 많기 때문에, 각섬석의 단종 이름은 보통 Mg 100%를 기준으로 언급하고, 철이 많아지면 ferro-를 앞에 붙인다. 그래서 어떤 의미로는 Anthophyllite는 Mg 단종이지만 보통은 Mg, Fe 섞인 걸 그냥 그렇게 부르기도 한다.[10] Anthophyllite와 마찬가지로 cummingtonite는 Mg 단종. 이 때 Fe 단종은 grunerite라고 한다.[11] 이름이 영어로 오늘 사정한다는 뜻도 되기 때문에 해외 지질학 커뮤니티에서 밈인듯하다.이 농담을 이용한 셔츠도 팔린다.[12] 철이 마그네슘보다 많으면 ferrokaersutite[13] 예컨대 트레몰라이트